超音速内部流動におけるポスト・ショック・エクスパンジョン現象の解明と応用

1992 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 02452119
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 松尾 一泰 九州大学, 総合理工学研究科, 教授 (30037759)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 青木 俊之 九州大学, 総合理工学研究科, 助教授 (20150922)
• Keywords: 超音速流れ / 衝撃波 / 境界層との干渉 / ポスト・ショック・エクスパンジョン / 内部流れ

Research Abstract

1.ノズルやディフューザなどの超音速内部流れにおいて垂直衝撃波と乱流境界層の干渉によって生じるポスト・ショック・エクスパンシジョンは、干渉による衝撃波の分枝とそれによる膨張波の発生、境界層のブロケージ効果に主原因がある。境界層のはく離はこの現象に重大な影響を与える。マッハ数の増加とともに、ポスト・ショック・エクスパンジョンの強さは増加し、ある限界値を越えると、新たな衝撃波が形成され擬似衝撃波が形成される。
2.管路の広がり角が増加すると、ポスト・ショック・エクスパンジョンは強くなるが、この現象が発生し始める条件は気流マッハ数のみで決まり、管路の広がり角には依存しない。この意味から、外部流れにおける衝撃波と境界層の干渉に関する自由干渉の概念はノズルやディフューザなどの内部流れに対しても適用できる。しかし外部流れにおけるポスト・ショック・エクスパンジョンは境界層端近傍で起こるのに対し、内部流れでは境界層近傍より主流において顕著に現れる。これは干渉による衝撃波の変形に主として原因がある。
3.内部流れの垂直衝撃波と乱流境界層の干渉による流れの非定常性について実験的に研究した結果、衝撃波の振動周波数は外部流れにおける斜め衝撃波の振動周波数よりかなり小さいことが明らかになった。圧力変動の2乗平均値は気流マッハ数とともに増加し、境界層のはく離によって大きく影響される。衝撃波の十分下流における圧力変動は衝撃波上流の気流マッハ数に依存しない。
4.衝撃波による乱流境界層のはく離は衝撃波の振動に大きな影響を与えるが、はく離しない場合でも衝撃波は振動し、はく離は振動の直接的原因ではない。本研究結果を総括し、衝撃波の振動機構に関する流れモデルを確立した。

Research Products

• [Publications] 金 羲東: "The Post-Shock Expansion in a Supersonic Nozzle" Proceedings of the 2nd KSME-JSME Fluids Engineering Conference. 2. 52-57 (1990)
• [Publications] 金 羲東: "Analytical Study on Post-Shock Expansion in Transonic Flow" 九州大学総合理工学研究科報告. 12. 319-328 (1990)
• [Publications] 金 羲東: "Flow Unsteadiness by Weak Normal Shock Wave/Turbulent Boundary Layer Interaction in Internal Flow" JSME International Journal. 34. 457-465 (1991)
• [Publications] 松尾 一泰: "Measurement of Oscillating Shock Wave in Supersonic Nozzle" Flow Visualization. 6. 612-616 (1992)
• [Publications] 松尾 一泰: "Post-Shock Expansion Phenomenon Caused by Normal Shock/Turbulent Boundary Layer Interaction" JSME International Journal. (1993)
• [Publications] 松尾 一泰: "Normal Shock Wave Oscillations in Supersonic Diffusers" Shock Waves-An International Journal. (1993)